熔體造粒塔進風(fēng)口結(jié)構(gòu)對復(fù)混肥冷卻過程的影響研究*

吳文華，袁　宸，李接勵，陳明良，梁　濟

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熔體造粒塔進風(fēng)口結(jié)構(gòu)對復(fù)混肥冷卻過程的影響研究*

吳文華，袁宸，李接勵，陳明良，梁濟

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結(jié)合復(fù)混肥熔體高塔造粒原理，運用流體力學(xué)計算軟件對熔體高塔造粒過程進行數(shù)學(xué)建模并與實測數(shù)據(jù)進行對比驗證。在數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，通過改變造粒塔幾何模型結(jié)構(gòu)，數(shù)值模擬研究造粒塔進風(fēng)口結(jié)構(gòu)變化對塔內(nèi)復(fù)混肥冷卻過程的影響，以期為造粒塔幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計提供技術(shù)參考。

造粒塔冷卻過程進風(fēng)口結(jié)構(gòu)

熔體高塔造粒過程主要是以熔融尿素為載體，與一定配比的其他物料在熱熔狀態(tài)下攪拌混合，形成具有一定流動性的低溫共熔料漿，再通過旋轉(zhuǎn)差動噴頭將料漿以液流的形式噴出，液流在塔內(nèi)自然下落過程中斷裂成液滴并與上升的空氣換熱，冷卻并凝固成球形顆粒。液滴在造粒塔內(nèi)的冷卻效果直接影響整個造粒過程，塔底產(chǎn)品黏壁、顆粒不圓整等均與塔內(nèi)顆粒冷卻效果欠佳有關(guān)，而影響塔內(nèi)顆粒冷卻過程的因素主要有進風(fēng)口氣溫、顆粒粒徑、進出風(fēng)口結(jié)構(gòu)、塔高等。造粒塔的結(jié)構(gòu)不僅影響著顆粒冷卻過程，也與造粒塔的造價息息相關(guān)。因此，在造粒塔設(shè)計階段，有必要對造粒塔結(jié)構(gòu)，如進風(fēng)口結(jié)構(gòu)、塔高等，進行研究分析，以找到合適的造粒塔結(jié)構(gòu)。

迄今為止，國內(nèi)已建成上百座復(fù)混肥造粒塔，但關(guān)于造粒塔結(jié)構(gòu)對復(fù)混肥顆粒冷卻過程影響的研究甚少，尤其是造粒塔進風(fēng)口結(jié)構(gòu)方面的研究。國內(nèi)不少學(xué)者對造粒塔內(nèi)顆粒冷卻過程進行了理論分析，將造粒塔內(nèi)空氣流動簡化成活塞流，在計算塔內(nèi)風(fēng)量時往往忽視了造粒塔進風(fēng)口結(jié)構(gòu)的影響，這勢必會降低計算結(jié)果的準確度[1- 2]。上?；ぱ芯吭洪L年致力于復(fù)混肥高塔造粒工藝研究工作，近年來采用流體力學(xué)計算軟件與現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法建立了一套數(shù)學(xué)模型，該數(shù)學(xué)模型根據(jù)造粒塔的實際幾何結(jié)構(gòu)進行建模，模擬計算結(jié)果與現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)的誤差在可接受范圍內(nèi)[3]。鑒于造粒塔設(shè)備龐大，一般很難通過試驗及實測來掌握其性能，本文在已建立的流體力學(xué)數(shù)學(xué)模型[4]的基礎(chǔ)上，通過改變進風(fēng)口高度及層數(shù)，初步探索研究造粒塔進風(fēng)口結(jié)構(gòu)對復(fù)混肥冷卻過程的影響，以期為造粒塔幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計提供技術(shù)參考。

1　模型計算方法

1.1計算原理

采用分散相模型進行計算，控制方程包括連續(xù)相方程、分散相方程和氣粒兩相間熱量傳遞方程。連續(xù)相求解過程為穩(wěn)態(tài)迭代計算，顆粒追蹤方式采用穩(wěn)態(tài)追蹤。所謂穩(wěn)態(tài)方式是指每隔若干個連續(xù)相流場迭代步，在當前流場狀態(tài)下，逐個地對每個顆粒從起始位置直至其終了軌跡進行積分計算及源項計算。穩(wěn)態(tài)方式可得到某一時刻連續(xù)相流場條件下，在一系列積分時間步的顆粒狀態(tài)，而一系列顆粒位置可連成運動軌跡線。

熱壓自然通風(fēng)主要是依靠浮升力作用的一種通風(fēng)方式。自然通風(fēng)的數(shù)值模擬研究方法一般為擴大計算域，在建筑的外圍建立一個較大的模型形成無限遠邊界，在外圍入口處設(shè)置為速度入口邊界條件來考慮側(cè)風(fēng)對其的影響。不考慮側(cè)風(fēng)的影響時，可以將速度邊界的速度值設(shè)得很小，或者改為壓力邊界條件，或者直接在建筑的進出口處均設(shè)為壓力入口邊界條件。經(jīng)綜合考慮，決定將造粒塔進出口邊界條件均設(shè)為壓力邊界條件，內(nèi)部空氣密度采用波希涅斯克(Boussinesq)假設(shè)。

離散方式采用有限差分法，連續(xù)相方程采用SIMPLE算法迭代求解，分散相建立在連續(xù)相初始求解值上，并與連續(xù)相進行耦合求解。

1.2計算收斂依據(jù)

考慮到模擬計算過程的復(fù)雜性及耗時性，計算結(jié)果滿足以下幾點，則認為已經(jīng)收斂：

(1)監(jiān)測面處的平均溫度以及體積流量不再隨計算步驟的增加而變化，其中監(jiān)測面為熱氣道處的2個半月形水平面，距離熱氣道上端出口1.5 m；

(2)各個參數(shù)的殘差值隨計算步數(shù)的增加而降低，最后趨于平緩；

(3)進風(fēng)口與出風(fēng)口的質(zhì)量流量滿足質(zhì)量守恒，即進口與出口的質(zhì)量流量差小于0.5%。

2　模擬計算結(jié)果驗證

在已有的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，對某化肥企業(yè)的復(fù)混肥高塔造粒過程進行數(shù)值模擬計算，其中環(huán)境氣溫23.75 ℃，產(chǎn)品配方為20-5-20，顆粒平均粒徑Φ2.49 mm，產(chǎn)量為10.56 kg/s。造粒塔直徑Φ18 m，進風(fēng)口面積為90.72 m2，出風(fēng)口面積為100.6 m2，熱氣道截面面積128.4 m2。模擬計算值與實測值對比見表1。

表1模擬計算值與實測值對比

項 目模擬計算值實測值相對誤差塔內(nèi)熱氣道處風(fēng)量/(m3·s-1)146.92148.360.97%出塔熱氣道平均氣溫/℃31.6630.015.50%塔底顆粒平均溫度/℃55.8956.090.36%

從表1可看出，模擬計算值與實測值的相對誤差均在6%以內(nèi)，說明建立的數(shù)學(xué)模型可靠，模擬計算結(jié)果具有一定的可信度

3　造粒塔進風(fēng)口結(jié)構(gòu)的探索

數(shù)學(xué)模型經(jīng)過驗證后，通過改變造粒塔幾何模型結(jié)構(gòu)(主要是改變進風(fēng)口高度以及進風(fēng)口層數(shù))來探索進風(fēng)口結(jié)構(gòu)變化對造粒塔內(nèi)顆粒冷卻過程的影響，其中造粒塔進風(fēng)口分布如圖1所示。

圖1　造粒塔進風(fēng)口分布

3.1進風(fēng)口高度變化

在已有模型的基礎(chǔ)上，改變進風(fēng)口高度(進風(fēng)口高度分別為0.4，1.4，2.4，3.4，4.4 m)，研究了進風(fēng)口高度對顆粒冷卻效果的影響規(guī)律，結(jié)果如表2與圖2、圖3和圖4所示。

表2進風(fēng)口高度對顆粒冷卻效果的影響規(guī)律

進風(fēng)口高度/m熱氣道風(fēng)量/(m3·s-1)熱氣道平均氣溫/℃塔底顆粒平均溫度/℃0.451.3244.5359.621.4107.5334.3656.502.4131.9432.3855.943.4146.9231.6655.894.4154.2731.3055.80

圖2　熱氣道風(fēng)量隨進風(fēng)口高度變化曲線

圖3　熱氣道平均氣溫隨進風(fēng)口高度變化曲線

圖4　塔底顆粒平均溫度隨進風(fēng)口高度變化曲線

由圖2可見，熱氣道風(fēng)量隨進風(fēng)口高度的增大而逐漸增大，從51.32 m3/s增至154.27 m3/s，但是增長速率卻逐漸下降，熱氣道風(fēng)量逐漸趨于一平穩(wěn)值(160 m3/s左右)。相反，熱氣道氣溫與塔底顆粒平均溫度隨進風(fēng)口高度的增大而逐漸減小，減小速率隨著進風(fēng)口高度的增大而逐漸下降。如圖3和圖4所示，熱氣道平均氣溫從44.53 ℃下降至31.30 ℃，塔底顆粒平均溫度從59.62 ℃下降至55.80 ℃。進風(fēng)口高度在3.4 m以上，熱氣道平均氣溫與風(fēng)量變化不大，趨于平穩(wěn)值，即熱氣道平均氣溫逐漸趨于31 ℃；進風(fēng)口高度在2.4 m以上，塔底顆粒溫度隨進風(fēng)口高度的變化很小?？紤]到進風(fēng)口之間的墻柱承重問題，進風(fēng)口高度不宜過高，過高的進風(fēng)口存在建筑安全風(fēng)險。

3.2進風(fēng)口層數(shù)變化

在造粒塔幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計中，國內(nèi)部分研究者認為雙層進風(fēng)口造粒塔內(nèi)顆粒冷卻效果優(yōu)于單層進風(fēng)口。目前，國內(nèi)主流造粒塔結(jié)構(gòu)為塔底單層進風(fēng)口，在研究不夠充分的情況下貿(mào)然在造粒塔上開第2層進風(fēng)口存在較大風(fēng)險，且實驗室和工程上不易試驗。而數(shù)值模擬計算提供了一種便捷有效的試驗手段，在計算機上修改造粒塔幾何結(jié)構(gòu)無需承擔建筑成本及各類風(fēng)險。因此，在已建立的數(shù)學(xué)模型上分別在距塔底進風(fēng)口50，30，10 m處再加一層進風(fēng)口，并分別命名為1#，2#，3#造粒塔，研究雙層進風(fēng)口對造粒過程的影響。雙層、單層進風(fēng)口造粒塔有關(guān)模擬計算數(shù)據(jù)見表3。

表3雙層、單層進風(fēng)口造粒塔有關(guān)模擬計算數(shù)據(jù)

項目雙層進風(fēng)口造粒塔1#2#3#單層進風(fēng)口造粒塔熱氣道平均氣溫/℃30.9930.8930.9531.66塔底顆粒平均溫度/℃55.9755.3455.2955.89總傳熱率/kW1389.501411.701410.921391.28熱氣道風(fēng)量/(m3·s-1)159.46165.20163.84146.92雙層進風(fēng)口距離/m503010底層進風(fēng)口風(fēng)量/(m3·s-1)117.4279.7967.15上層進風(fēng)口風(fēng)量/(m3·s-1)42.1385.4996.22

研究結(jié)果顯示，雙層進風(fēng)口并未達到預(yù)期的總風(fēng)量成倍增大、塔底顆粒溫度明顯降低的效果。以1#造粒塔為例，上層進風(fēng)口風(fēng)量為42.13 m3/s，上層進風(fēng)口的設(shè)置導(dǎo)致原塔底進風(fēng)口的風(fēng)量降至117.42 m3/s，總風(fēng)量159.55 m3/s，相對于之前的單層進風(fēng)口風(fēng)量(146.92 m3/s)只增加了8.60%。對比不同造粒塔在不同進風(fēng)口處的氣量分布可知，隨著雙層進風(fēng)口間距逐漸減小，塔底進風(fēng)口風(fēng)量逐漸減小而上層進風(fēng)口風(fēng)量逐漸增大。這主要是與顆粒在造粒塔內(nèi)邊下降邊與上升空氣換熱有關(guān)。

雙層進風(fēng)口之間的距離不同，顆粒在塔內(nèi)的傳熱效果也不同，其中2#造粒塔內(nèi)的通風(fēng)量最大，達到165.28 m3/s。1#造粒塔塔底顆粒平均溫度相對于單層進風(fēng)口造粒塔稍高，塔內(nèi)總傳熱率相對于單層進風(fēng)口造粒塔稍小。而2#和3#造粒塔塔底顆粒平均溫度相對于單層進風(fēng)口造粒塔均低，塔內(nèi)總傳熱率相對于單層進風(fēng)口造粒塔均稍大，究其原因與上層進風(fēng)口處塔截面上的顆粒分布有關(guān)。1#造粒塔上層進風(fēng)口處橫截面上顆粒集中在半徑4 m的內(nèi)圓環(huán)內(nèi)，最外層顆粒群距造粒塔內(nèi)壁4～5 m，來自上層進風(fēng)口的冷空氣未能與顆粒群接觸換熱，而是在熱壓下直接進入熱氣道與熱空氣換熱，然后直接排出塔外。而2#和3#造粒塔上層進風(fēng)口處橫截面上顆粒分布相對較為分散，最外層顆粒群距離造粒塔內(nèi)壁非常近，來自上層進風(fēng)口的冷空氣與顆粒群接觸換熱后進入熱氣道排出造粒塔。上層進風(fēng)口處塔橫截面上顆粒的分布不同，最終導(dǎo)致1#造粒塔的風(fēng)量小于2#和3#造粒塔的風(fēng)量，塔底顆粒溫度較高，塔內(nèi)傳熱率較低。由此可見，選擇合理的進風(fēng)口層上下間距對于雙層進風(fēng)口造粒塔非常重要。

4　結(jié)語

(1)塔內(nèi)熱氣道風(fēng)量隨著進風(fēng)口高度的增大而逐漸增大，但是增長速率卻逐漸下降。相反，熱氣道平均氣溫與塔底顆粒平均溫度隨著進風(fēng)口高度的增大而逐漸減小，減小速率隨著進風(fēng)口高度的增大而逐漸下降。進風(fēng)口高度在3.4 m以上，熱氣道平均氣溫與風(fēng)量變化不大，趨于平穩(wěn)值；進風(fēng)口高度在2.4 m以上，塔底顆粒溫度隨進風(fēng)口高度的變化很小。考慮到進風(fēng)口之間的墻柱承重問題，造粒塔進風(fēng)口高度不宜設(shè)計過高，過高的進風(fēng)口存在建筑安全風(fēng)險。

(2)模擬計算結(jié)果顯示，造粒塔雙層進風(fēng)口并未達到預(yù)期的總風(fēng)量成倍增大、塔底顆粒溫度明顯降低的效果。雙層進風(fēng)口間的距離不同，復(fù)混肥顆粒在塔內(nèi)的冷卻效果也不同。

[1]王時眕. 造粒塔與造粒噴頭[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 1987: 5- 11.

[2]賀華, 丁文捷, 周曉埜. 噴淋造粒生產(chǎn)大顆粒尿素工藝顆粒下落運動分析[J]. 化工生產(chǎn)與技術(shù), 2000(5): 13- 15.

[3]吳文華, 韓坤, 劉阿龍，等. 尿基復(fù)混肥造粒塔內(nèi)顆粒運動分析[J]. 磷肥與復(fù)肥, 2013(1)： 16- 18.

[4]吳文華, 李接勵, 劉阿龍，等. 尿基熔體造粒高塔內(nèi)流場分析[J]. 化肥工業(yè), 2013(2)：6- 10.

Study of Effect of Melt Prilling Tower Air Inlet Structure on Compound Fertilizer Cooling Process

WU Wenhua, YUAN Chen, LI Jieli, CHEN Mingliang, LIANG Ji

(Shanghai Research Institute of Chemical IndustryShanghai200062)

In accordance with the compound fertilizer high tower melt prilling principle, mathematical modeling of high tower melt prilling process is carried out with fluid calculation software, and compared and verified with measured data.On the basis of mathematical model, by changing the geometric model structure of prilling tower, the effect of air inlet structure on compound fertilizer cooling process in melt prilling tower is studied through numerical simulation in order to provide technical reference for geometric structure design of prilling tower.

prilling towercooling processair inlet structure

上海市科學(xué)技術(shù)委員會科研計劃項目(13195800800)。

吳文華(1988—)，男，碩士，助理工程師，主要研究方向為尿基復(fù)混肥高塔熔融造粒工藝；woshiwuwenhua@163.com。

TQ444.2

A

1006- 7779(2016)04- 0007- 04

2016- 08- 06)